白令海早期冻结始期的时空格局与热力学驱动机制研究

本研究针对白令海早期冻结始期(EFO)的时空变异机制这一科学空白，利用微波遥感数据(AMSR-E/AMSR2)揭示了2003-2021年间EFO由正异常(2003-2013)向负异常(2014-2021)的转变特征，发现圣劳伦斯岛南部陆架区海表温度经向梯度异常引发的暖平流模态转换是主导机制，为理解北极放大效应下的海冰-海洋-大气耦合过程提供了新见解。

　　

在全球变暖背景下，北极地区正经历着"北极放大效应"的显著变化，其中白令海作为连接北太平洋与北极的关键通道，其海冰动态变化牵动着整个北半球气候系统的敏感神经。海冰早期冻结始期(Early Freeze Onset, EFO)作为冰情演变的"第一张多米诺骨牌"，不仅通过冰-藻反照率反馈机制影响海洋热收支（每延迟1天可增加1.5 MJ m^-2热量吸收），更会引发从浮游生物物候到海洋哺乳动物栖息地的级联生态效应。然而，自Markus等学者2009年报道EFO微弱增长趋势(3.7天/十年)以来，关于其驱动机制的研究长期停滞，特别是在2014年后白令海频繁出现海洋热浪事件的背景下，EFO的时空重组规律及其热力学成因亟待破解。

福建省自然科学基金项目支持下的研究团队，通过分析2003-2021年先进微波扫描辐射计(AMSR-E/AMSR2)的12公里分辨率数据，结合Qu和Su改进的被动微波算法(PWM)，首次系统揭示了白令海EFO的时空分异规律。研究发现EFO在2014年发生显著转折：前期(2003-2013)呈现正异常（延迟冻结），而后期(2014-2021)转为负异常（提前冻结），其中圣劳伦斯岛南部陆架区的空间重构贡献了62%的变异。通过混合层热收支诊断模型，团队发现这种转变源于海表温度(SST)经向梯度异常触发的暖平流模态转换——前期受负强迫主导的北向热输送，在2014年后被海洋热浪事件引发的正强迫所取代，特别是在圣劳伦斯岛南部水域，异常的预冻结期SST增暖与北向热输出抑制形成"双重加热效应"，最终导致EFO提前。

关键技术方法包括：1)采用改进的被动微波算法(PWM)处理AMSR-E/AMSR2数据，消除虚假冻结信号；2)构建2×2自组织映射(SOM)对EFO空间模态进行客观分类；3)建立混合层热收支诊断方程量化暖平流(Q_adv)、净海气热通量(Q_net)和初始热储量(Q_res)的贡献；4)利用高分辨率海洋再分析数据验证热力学驱动机制。

【结果】

1. 时空变异特征：EFO在2003-2013年呈现+3.2天/十年的增长趋势(p<0.05)，而2014-2021年转为-4.8天/十年(p<0.01)，空间上表现为"南早北迟"向"全域提前"的格局转变。

2. 热力学驱动：2014年后圣劳伦斯岛南部SST异常增暖达1.2°C，通过增强的经向温度梯度(0.15°C/km)引发正暖平流强迫，使该区域EFO提前11.3天。

3. 生态关联：EFO提前导致冰藻繁殖窗口期缩短，与2016-2019年桡足类丰度下降27%存在显著相关性(r=0.68,p<0.05)。

【结论】

该研究首次阐明了白令海EFO在2014年前后的时空重组现象及其热力学机制，揭示海洋热浪通过改变暖平流模态进而调控冻结过程的物理链条。这一发现不仅为理解北极海冰快速变化的区域异质性提供了新视角，更对预测渔业资源变动（如雪蟹捕捞量在2018-2021年下降40%与EFO提前相关）和制定北极航道管理策略具有现实意义。作者建议未来应加强海洋热浪与EFO的耦合研究，并评估其对原住民生计的潜在影响。论文发表于《Journal of Marine Systems》。